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对基因的了解越多,越难以置信|宇宙自然生命简史 62

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匿名
匿名  发表于 2018-7-8 07:44 |阅读模式

对基因的了解越多,越难以置信|宇宙自然生命简史 62





  ​对科学家而言,还来不及细细领悟为什么我们大部分的 DNA 都无所事事,更多意想不到的研究发现就冒出了头。首先是德国、然后是瑞士的研究人员做了一些相当奇特的实验。其中有一个实验,他们把控制老鼠眼睛发育的基因,注入了果蝇幼虫的体内,期待着有一些新奇的怪物质生成。结果,老鼠眼睛的基因使果蝇又长出了一只活的蝇眼 。要知道,老鼠和果蝇的进化在 5 亿年前就分道扬镳了,但它们却可以像亲属那样交换基因。

  我本来以为多长出一只眼睛这种事情太过神奇,有点难以置信。结果查阅资料后发现,长出眼睛,对研究人员来说可能是司空见怪的事情。根据《科学》杂志的报道,1995 年的时候,由瑞士伯尔尼大学的遗传学家华尔特·格林(Walter Gehring)领导的一个小组发现了一种“EY”基因。通过一些方法操控这个基因,研究人员就使果蝇长出了多余的眼睛,而且令人吃惊的是,这些眼睛居然可以长在翅膀、腿和触角上。同样的事情还发生在了休斯敦贝勒医学院的发育遗传学家格莱美·马登(Graeme Mardon)发现的 DAC 基因上。[1]

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  无论研究人员怎么折腾,结果都是一样的。他们发现可以把人类的 DNA 注入果蝇的某些细胞中,果蝇会像接受自己的 DNA 那样接受来自人类的 DNA。出人意料的是,超过 60% [2] 的人类基因本质上与果蝇是一样的。而有将近 90% [3] 的人类基因在某种程度上可以与老鼠身上的基因对应起来。(我们和老鼠甚至有着同样的长出尾巴的基因,要是激活了,我们就有尾巴啦。)研究人员跨越了一个又一个领域,他们发现无论在哪种生物上实验,不管是线虫还是人类,他们经常都是在研究本质相同的基因。生命似乎都是围绕着同一张蓝图而诞生的。

  进一步的研究揭示了主控基因的存在。每个主控基因指挥一个身体部分的发育,这类基因被称为“同源异形”基因,希腊语里是“相似”的意思。同源异形基因解开了这个长久以来令人困惑的问题:从单一受精卵中产生的数十亿个胚胎细胞,明明携带着完全相同的 DNA,它们又是怎么知道该去哪里该做些什么的呢,比如这个细胞成为了肝细胞,这个细胞成为了伸缩性神经元,这个生成了血泡,这个是拍动的羽翼上的光点……原来正是同源基因在指挥着它们,它们对于所有的生物都是以同样的方式发出指令。

  为什么说进化论是一个科学界普遍认可的坚实理论,因为支撑它的证据最初是那些博物学和考古学上的证据,可是随着现代生物学的发展,我们对基因了解的越多,进化论的证据也就越多。大家可能平时会看到一些攻击进化论的文章,但这些攻击性的文章很少有从基因的角度去反驳的,然而,来自基因的证据恰恰才是进化论最坚实的证据。科学理论的发展有一个显著的特点,那就是新理论不但要能解释新的现象,还必须完美地解释所有旧理论能解释的现象。我们有时候经常会看到一些宣称自己找到了取代进化论的理论,可是你会发现,这些理论往往只能解释某一个特定的现象。比如,去年我参加华大基因的一次科普活动,当研究古生物的周忠和院士讲完的时候,台下就站起来一个人,大声问:蛇的四足为什么会消失?周院士老老实实地回答,这个不是我的专业,我回答不了。然后那个人就突然冲到台上来,拿起话筒,就跟大家说,我能解释蛇的四足为什么会退化,根本不需要用到进化论。然后就开始了滔滔不绝如长江之水,直到被忍无可忍的主持人打断。说实话当时他说了些什么,我真的记不住了,只是我记得我当时很想问他一下,那么您的这个理论是否能解释蛇的基因为什么与其他爬行动物的基因相似性问题呢?当然,在当时那样的情况下,我想我最好还是不要给活动添乱比较好。我们继续来讲基因。

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  有趣的是,基因的数量和组织方式并不一定,或者说通常不能反应携带它的生物的复杂程度。我们有 46 条染色体,但有些蕨类植物有 180 多条,而有一种属于酷灰蝶亚属的蝴蝶是所有动物中拥有染色体最多的物种之一,有 268 条染色体[4]。

  显然,基因的数量并不是最重要的,重要的是它们对你做了什么事。之前我们一直猜测人类至少有十万个基因,这还是保守的估计。但人类基因组计划的第一批研究结果就修正了这个数字,使得这个数字大幅跳水,把它定在了 20000-25000[5]。直到今天,科学家们也还在为人类基因的数量到底是多少争论不休。原因还在于不同的生物学家对基因的定义也略有不同,这也会导致基因的数量不同。但不管怎么说,我们现在已经可以肯定,人的基因数量还不如一只青草虫。可见基因也是贵在精而不在于多。

  《科学》杂志 2015 年11 月刊登的一项研究表明,人体 20000 多个基因中,大约有 15%,具体数字是 3230 个基因,是我们无法或缺的,只要对它们稍作改动,你可能连出生的机会也丧失了。一旦这些基因突变,胚胎通常就会死亡,或者一个人太虚弱而失去了生育能力。这些极其重要的人类基因中,许多都与动物一样,有着相同的作用,比如构建生产蛋白质的工厂。但这项研究结果只是初步的。

  不过仍然很高兴,至少你我都有着 3230 个基础 DNA,我们才能沟通交流,成为智慧的文明生物。对了,你可能会跟我有同样的感受,似乎我们人类的弱点越来越多的都被归结于基因惹的祸,前不久在哪里还看到过一篇文章,说美国的一个刑事案件,律师是以基因缺陷为嫌疑人辩护的。这几年,不断有科学家欣喜若狂地宣布找到了导致各种顽疾的基因,例如肥胖、精神分裂症、犯罪、暴力、酗酒、甚至是商场偷窃和流浪的幕后黑手都成了基因。著名的《科学》杂志,在1980 年刊登的一篇研究文章中说,遗传基因决定了女性在数学方面的表现天生就不如男性。好在现在的我们知道了,一个单一的基因导致人的某个特定的疾病是少见的,至于基因影响人的数学能力,这个就更加武断了。事情远远没有那么简单。

  基因不是一个萝卜一个坑决定一个个显著特征的。因为如果单个基因就能决定单项显著的特征,比如身高、患糖尿病的概率、是否容易秃顶,那么相对地,我们也更容易分离和修正这个基因。不过,两万多个独立运作的基因是无论如何造不出一个令人满意的复杂人类的。这也清晰地意味着,基因与基因之间必须协同合作。有一些疾病,比如血友病、帕金森症、亨廷顿舞蹈症和囊性纤维化是由单个基因的功能失调引发的。但通常,在这些破坏性的基因对一个物种(比如我们人类)造成永久性的麻烦之前,依照自然选择的规律,它们就会被淘汰掉。决定我们命运和舒适度的绝大多数特质,哪怕只是眼睛的颜色,也是由复杂的基因相互运作共同决定的,而不是单个基因就能说了算的。这就是我们难以搞清基因共同运作方式的原因,这也决定了定制一个未来的奥运冠军婴儿是多么科幻的事情。

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  基因对一个人的性格到底有多大影响呢?有一个很有趣也很著名的个案。有一对叫詹姆斯的同卵双胞胎兄弟,一个月大时被两个不同的家庭收养,团聚时,两人已经 39 岁了。1979 年,明尼苏达大学心理学家[6] 伯恰德见到了兄弟俩,见证了他俩命运的高度相似,当时《华盛顿邮报》还对此进行了报道。兄弟两人都结过两次婚,爱好是机械绘图和木工,上学时最喜欢数学最讨厌拼写,两人日常的吸烟量和饮酒量相同,一天中容易发生头痛的时间点也相同。总之,充满了惊人的相似,似乎他们的命运是基因写就的。

  在科学研究中,个案是不能得出因果性的结论,这俩兄弟的故事并不能成为充分的证据,巧合有时候比我们想象的要更容易发生。但是,不可否认,很多科学研究的线索都来自于个案研究。典型个案也是有意义的。

  英国卫报 2015 年 3 月 19 日刊登了一篇报道《基因是否决定了你的一生》,说明尼苏达双胞胎和家庭研究中心是一家世界领先的基因与行为研究结构。研究人员发现,我们的许多特征 50% 以上是遗传的。这些特征包括是否会服从权威、是否能抵抗压力或主动寻求冒险。他们还表示,在宗教和政治领域,我们的选择更多取决于我们的基因,基因起到的决定性作用远超过我们的想象。

  不过并不是所有的人都赞成基因决定论,根据英国《每日电讯报》2013年10月16日的报道,历史上有一次事件,证明了环境同样能对人的特征起到决定性的作用。这是一次饥荒事件,发生在二战快要结束的时候,当时纳粹封锁了荷兰西部,时间长达半年,平均每个荷兰人每天摄入的食物热量只有 580 大卡,超过 22000 人死于营养不良,婴儿体重过轻更是常事。几十年后,研究人员细致分析了当时的医疗记录。他们发现,在饥荒中幸存下来的婴儿,更容易被健康问题所困扰。

  在健康领域,赞成环境决定论的大有人在。哈佛大学公共健康学院的一篇报道中是这样说的[7]:有一点越来越清楚,那就是遗传因素对肥胖的影响微乎其微,我们的基因不是我们的命运。携带所谓肥胖基因的人,并不是一定都会变成大胖子,健康的生活方式可以抵消遗传因素。

  而在 2011 年7月的《欧洲个性期刊》中,有一篇文章名为《分子遗传学时代的遗传性》,作者在摘要中写道:现在,遗传对于行为特征的影响已经被普遍接受,但我们需要认识到遗传的局限性,并理解基因与环境的相互作用在发育过程中起到的作用。

  事实上,基因与品质之间的联系是一个颇为热门的研究领域,这一领域的一个研究重点就是双胞胎,尤其是同卵双胞胎。伦敦国王大学的斯派多克投入这个领域已经超过 20 年了。从上世纪 90 年代的初出茅庐到现在的资深研究员,他的结论始终没有变过,那就是同卵双胞胎之间的相似度一般高于异卵双胞胎。但他也承认,他和这个领域里的一些人确实经历过“基因决定论”的阶段,认为基因在很大程度上决定了我们的智商、个性和信仰。但这个狂热期已经过去,现在的研究人员更理性,希望弄懂更多深层次的“为什么”。

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  事实上,我们对基因了解得越多,就会发现基因比想象的还要复杂得多。有研究表明,即使是思考,也会影响基因的运作方式。我有时候会在饭桌上跟朋友这样开玩笑,当然,这种玩笑不能在有女性在场的时候开。我问别人,你相信能用意念改变自己的胡子生长速度吗?绝大多数人都会说我胡扯,还嘲笑我怎么当上的科普作家。然后,我就会一本正经地解释道:科学研究发现,胡子的生长速度取决于人体的睾酮激素的值,而性幻想能刺激睾酮激素的分泌。所以,你完全可以用意念控制胡子生长速度,闭上眼睛多想想美女就是了。每当这种时候,我就会很得意,趁他张大了嘴的时候,赶紧吃菜。你下次也可以试试,这种以科学知识打底的玩笑和段子会比讲一个隔壁老王的荤段子更博得欣赏。

  上世纪 90 年代初,科学家有了一项意义更为深远的发现。他们从老鼠的胚胎中去除了一些被认为至关重要的基因,结果发现出生的老鼠不仅是健康的,甚至有时比胚胎正常培育的同胞更健康。研究表明,当一些重要的基因遭到破坏时,其他基因会填补上它们的缺位。我们人类作为一种生物,当然热烈欢迎这个好消息。但这也意味着,我们要理解细胞的运作方式,变得更难了。我们在这个领域才刚起步,它神秘的外衣又添了一层。

  现在,科学家们对人类基因组追根溯源的任务才刚刚开了个头。就如同麻省理工学院的艾力克·兰德所说:“基因组就像是人类身体的部件清单:它告诉了我们,我们是由什么构成的,却没说它们是如何运作的。”他说的没错,我想现在需要的就是能下达运作指令的操作手册。我们离这个目标还相去甚远。

  现在的当务之急是破解人类蛋白质组。这个概念还很新,十年前,“蛋白质组”这个术语都还不存在。蛋白质组是制造蛋白质的信息库。 2002 年春天,《科学美国人》发出了这样的感叹:“很不幸,蛋白质组比基因组复杂多了。”

  这么说还是客气的。要知道,蛋白质负担着所有生命系统的运行,每时每刻每个细胞中可能就有数以亿计的蛋白质在辛勤忙碌。它们的活动如此之多,所以有很多需要搞清楚的地方。但麻烦的是,蛋白质的行为和功能不仅仅是由它的化学物质所决定的,形状也会影响它的运作,这一点和基因相同。要想发挥作用,蛋白质必须把必要的化学成分聚集起来,然后折叠成一个特定的形状。这里使用的术语是“折叠”,但这个词有误导,因为事实上蛋白质的形状不会是棱角分明整整齐齐的。蛋白质绕着圈,立马会卷曲成夸张又复杂的形状。它更像是破破烂烂揉成一团的旧衣服,而不是整齐叠好的毛巾。

  有个成语挺适合用来形容蛋白质在生物世界里的表现,这个词就是——它做事看心情,就着新陈代谢,它可以被磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化、法尼基化、硫酸盐化,还可以与糖基磷脂酰肌醇锚着点(GPI 锚)连接上。说实话,我跟你们一样,完全不懂这个化那个化,这个连接与那个连接到底是些什么样的生物化学含义,我想要完全搞懂这些,恐怕读一个博士都不一定够,但这不妨碍我们热爱科学。科普有很多个层次,像我这样的层次也就是给大家添一些精神上的乐趣。我从来没有把自己定位成一个科学家型的科普人,就像五星餐厅和大排档,都能满足人民群众的不同需求。你们觉得呢?

  看上去,蛋白质要发生改变不费吹灰之力。正如《科学美国人》指出的那样,喝一杯酒就可以实质性地改变你系统里大部分蛋白质的数量和类型。所以,喝酒怡人。但对于试图理解蛋白质运行原理的遗传学家们来说,这却是杯苦酒了。

  看起来蛋白质复杂到令我们难以想象,在某些方面,它也确实如此。但所有这些的背后也蕴藏着一份简单的统一,这也是亘古不变的,生命的运行同样离不开这份简单。通过核苷酸众志成城的努力,所有激活细胞的微小的灵活的化学过程,把 DNA 转录成了 RNA,这在进化史上只发生过一次。自此之后,这个化学过程在整个自然界里一直保持着非常稳定的状态。对此,已故的法国遗传学家雅克·莫诺德曾半开玩笑地说:“大肠杆菌和大象都是这么运作,这一点也不夸张!”这就是作为生物的相似性。

  其实呢,每一个生命都是在原始计划的基础上扩展而来的,人类只是扩展得更充分而已。我们人类用了 38 亿年扩容自己,我们每个人身上都记载了这一路上我们这个物种的调整,无论是小修小补还是大兴土木,还有我们为此做出的适应,如果有本记录本,那它简直太长太长了。值得一提的是,我们和水果蔬菜有着密切的联系。要知道,在香蕉里发生的化学反应,有一半和发生在我们身上的化学反应,在本质上一模一样的。

  ​

  

  有一句话怎么多说都不嫌唠叨——生命同根同源。事实已经一次次验证了这句话,我想未来还会继续应证下去。它是对生命最深刻最真切的阐述。好了,关于生命的物质,我们终于讲完了,从下一集开始,我要给你详细讲讲人类起源的故事了。

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  [1] http://www.sciencemag.org/news/1 ... -second-master-gene

  [2] https://www.genome.gov/11509542/comparative-genomics-fact-sheet/

  [3] http://education.seattlepi.com/a ... sequences-6693.html

  [4] https://en.wikipedia.org/wiki/Li ... by_chromosome_count

  [5] https://en.wikipedia.org/wiki/Human_Genome_Project

  [6] https://www.theguardian.com/scie ... ne-your-entire-life

  [7] https://www.hsph.harvard.edu/obe ... /genes-and-obesity/

  说明:

  《宇宙自然生命简史》是我重译、改编的《万物简史》。

  1、修正了原书中不准确的知识点。

  2、更新了最近这 10 年来的科学进展。

  3、补充新增大量相关知识点。

  4、直接翻译自英文原著,没有使用原译。

  来源   科学有故事汪诘

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Polar_bear 发表于 2018-7-9 07:54 | 显示全部楼层

基因的相似性不正好证明创造论了么?所有芯片的基本元素不都是基本一样么?难道这也是进化来的???

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